双层网底鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟

崔 勇， 关长涛， 李 娇， 公丕海

(农业部海洋渔业可持续发展重点试验室，青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点试验室，中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071)

双层网底鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟

崔 勇， 关长涛， 李 娇， 公丕海

(农业部海洋渔业可持续发展重点试验室，青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点试验室，中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071)

双层网底鲆鲽网箱的网底结构在水流作用下会发生倾斜与转动。为确保网底结构的安全，需对其耐流特性进行动力分析。为此，根据有限元法建立了流场中双层网底网箱受力的数学模型，通过计算机数值模拟对双层网底的最大位移与倾角进行研究，并将双层网底的计算结果与单层网底进行对比分析。模拟结果显示，随着流速的增大，上层网底与下层网底的倾角逐渐增加，并且两层网底的倾斜方向恰好相反。研究发现，当实际海区流速超过93 cm/s时，双层网底网箱的上、下两层网底会发生接触碰撞，从而影响网底的稳定。此外，双层网底网箱的下层网底位移要大于单层网底网箱，但其倾角却小于后者，这可能与双层网底网箱的上层网底设计有关。

双层网底；耐流特性；有限元；鲆鲽网箱

鲆鲽类养殖网箱是一种带有网底平台结构的特种网箱，主要用于鲆科、鲽科、鳎科等底栖鱼类的养殖。该网箱的特殊性在于能够为鲆鲽鱼类健康生长提供稳定、适宜的栖息平台，以避免鱼体因与网底摩擦而受伤。在网箱结构上，鲆鲽类养殖网箱与用于游泳性鱼类养殖的其他各类网箱间的主要差异有两点：一是网衣的深度小；二是网箱底部必须设有平底结构的网底平台。鲆鲽类养殖网箱强调的是网底面积的大小，而不是网箱容积的多少。因此，为满足鲆鲽类养殖需求，本研究提出一种双层网底鲆鲽网箱，可用以增加单体网箱的有效养殖面积，从而提高网箱养殖空间利用效率。双层网底在水流作用下会发生倾斜与转动，为确保鲆鲽网箱网底结构的稳定性，有必要对网箱的耐流特性开展研究。

近年来，国内外学者在离岸网箱水动力特性方面进行了大量的水槽试验与数值模拟研究[1-12]。目前，此类研究中针对鲆鲽网箱耐流特性的报道还比较少。赵云鹏等[13]通过集中质量法对方形鲆鲽网箱在波浪作用下的运动变形进行了数值模拟；桂福坤等[14]对鲆鲽网箱在波浪作用下的动态响应进行测试，并与圆形重力式网箱进行了比较；崔勇等[15]通过水槽模型试验与数值模拟，研究不同结构形式的鲆鲽网箱水动力特性。本研究以新设计的一种双层网底鲆鲽网箱为研究对象，基于ANSYS提供的参数化建模技术，对其耐流特性进行数值模拟，并与传统的单层网底鲆鲽网箱进行对比分析，研究结果可为新型鲆鲽网箱工程设计提供理论参考。

1 数值模拟方法

1.1 网箱结构运动方程

根据有限元动力分析方法，双层网底鲆鲽网箱整体结构在流场中的运动可由下式来表示[16]：

(1)

鲆鲽网箱主要由刚性的框架与柔性的网衣组成，网箱结构离散后形成不同的结构单元。首先获取不同特性单元的质量矩阵、刚度矩阵和节点力矢量，然后组装形成网箱总体结构的质量矩阵、刚度矩阵和节点力矢量。

1.2 单元特性

利用有限元软件ANSYSMechanical模块内置的PIPE59管单元来模拟网箱离散单元。PIPE59管单元是一种可承受拉、压、弯作用，并且能够模拟海洋水流的单轴单元，可以用来计算位于水中的圆管形构件的浮力、水流力的静载荷与动载荷(图1)。PIPE59单元的每个结点有3个或6个自由度，即沿x，y，z方向的线位移及绕X，Y，Z轴的角位移。在模拟网衣单元时，消除抗弯刚度可将管单元转换为绳索单元[16]。

图1 管单元模型图Fig.1 The figure of the pipe element

网箱离散后的框架单元用管单元来模拟，其单元质量矩阵形式与三维梁单元相似[17]，其中，

(2)

(3)

式中：A—单元的横截面积，m2；I—惯性矩；D、d—单元的外径和内径，m。网箱离散后的网衣和锚绳单元用管单元模拟时，仅考虑单元轴向拉伸效应，单元内径d设置为0，其单元的刚度矩阵与质量矩阵与三维杆单元相同。单元载荷通过Morison方程来计算[18]：

(4)

2 双层网底鲆鲽网箱模型

新设计的双层网底鲆鲽网箱以文献[19]中所述的方形金属框架鲆鲽网箱为基础，网箱主体规格为5 m×5 m×4 m，网底面积16 m2，上层网底设置水深2 m，底面积9 m2，即双层网底网箱的总养殖面积为25 m2。上层网底的四角用聚乙烯绳索平衡固定于网箱上框架与底框架的四角，确保上层网底平台处于水平状态(图2)。

图2 双层网底鲆鲽网箱Fig.2 The Flounder fish cage with double bottoms

为了与文献[19]中所述的单层网底鲆鲽网箱进行比较，计算用例根据重力相似准侧，采用1∶20的大尺度比，模型网箱参数见表1，水流工况见表2，设计水深0.6 m。

表1 模型网箱参数

表2 水流工况

3 结果与讨论

3.1 网箱变形

图3为水流作用下双层网底鲆鲽网箱在达到平衡状态时变形情况的数值模拟结果。

图3 水流作用下网箱变形模拟结果Fig.3 Simulation results of flounder fish cages deformation in current

其中，流速v1～v6分别为9.9、13.3、14.2、18.4、20.9和25.6 cm/s。从图3可以看出，当流速较小时，网箱的上层网底与下层网底倾斜角度均不大，可以较好地保持网底平衡。随着流速的增大，上、下层网底的倾角逐渐增加，并且两层网底的倾斜方向恰好相反，上层网底为顺时针方向，而下层网底为逆时针方向。当流速较大时，上层网底的倾斜幅度要明显大于下层网底。当流速达到20.9 cm/s时，两层网底结构几乎接触到一起；当流速为25.6 cm/s时，上、下层网底由于倾角过大而产生碰撞，从而影响网底结构的平衡与稳定。

3.2 网底运动幅度与最大倾角

图4为在不同水流作用下两层网底在水平与垂直方向运动幅值的比较，位移计算结果采用网底中心点位置。由图可见，两层网底在两个方向的运动幅度均随流速的增加而增大。上层网底在两个方向的运动幅度随流速增加而增大的趋势较缓，而下层网底的运动幅度在高流速时显著增加。在同一流速条件下，下层网底水平与垂直方向的运动幅度均大于上层网底。此外，流速相同时，上层网底的水平运动幅度大于其垂直运动幅度，而下层网底的垂直运动幅度则大于其水平运动幅度。尤其值得注意的是，在高流速区，下层网底的垂向位移较大。

图4 上层网底与下层网底运动幅度Fig.4 Motion amplitude of the upper and lower bottoms

图5为上层网底与下层网底最大倾角随流速变化模拟值的比较。图中负值表示网底倾斜方向为顺时针，正值表示逆时针。两层网底的最大倾角均随着流速的增加而增大，但倾斜的方向正好相反。上层网底的最大倾角随流速增加而增大的幅度要大于下层网底，当流速为25.6 cm/s时，上层网底的最大倾角约为-14°，而下层网底的最大倾角较小，约为6°。从模拟结果看，同时参考图3，在流速最大的工况条件下，两层网底最大倾角的绝对值虽然不是很大，但由于二者的倾斜方向正好相反，并且有垂直方向的位移，两层网底仍会发生接触碰撞而影响鲆鲽鱼类的安全生长。

图5 上层网底与下层网底最大倾角Fig.5 Maximum pitch of the upper and lower bottoms

图6为本计算用例中双层网底网箱与文献[20]中所述单层网底网箱的网底运动幅度的比较，其中双层网底运动幅度值为下层网底。由图6可见，在相同流速条件下，双层网底在水平与垂直方向的运动幅度均大于单层网底，这可能与双层网底网箱增加了上层网底有关。由于上、下层网底通过绳索相连接，上层网底的运动变形通过绳索传导到下层网底，致使双层网底在两个方向的运动幅度均大于单层网底。

图6 双层网底与单层网底运动幅度比较Fig.6 Comparison of the motion of single and double bottoms

图7为双层网底与单层网底在水流作用下最大倾角变化的比较。从图中可以看出，当流速一定时，双层网底网箱下层网底的最大倾角要小于单层网底。究其原因，同样可能与上层网底的牵带效应有关。由前述可知，上、下层网底的倾斜方向恰好相反，由于两者之间通过绳索连接，上层网底的反方向倾斜可能减缓了下层网底的倾斜角度。由此可见，双层网底网箱的上层网底设计对整体网箱水动力特性的影响至关重要。对于双层网底网箱，两层网底之间的连接方式及上层网底的设置水深，可作为今后的研究内容继续深入探讨。

图7 双层网底与单层网底最大倾角比较Fig.7 Comparison of the pitch of single and double bottoms

3.3 锚绳受力

图8为双层网底与单层网底网箱最大锚绳力的比较。

图8 双层网底与单层网底最大锚绳力比较Fig.8 Comparison of the maximum mooring line force of single and double bottoms

两种网箱的迎流侧与背流侧锚绳的最大张力均随流速的增加而增大，当流速相同时，迎流侧锚绳力均大于背流侧。双层网底网箱的锚绳力与单层网底网箱的相比，无论是迎流侧还是背流侧，在各流速条件下差别均不大。在低流速区，双层网底迎流侧的最大锚绳力略小于单层网底，当流速为25.6 cm/s时，双层网底迎流侧锚绳力大于单层网底，这可能与此流速下双层网底发生碰撞接触有关。两种网箱的背流侧最大锚绳力随流速变化的曲线几乎吻合，只有在高流速区，双层网底最大锚绳力略大于单层网底，这同样与高流速下双层网底网箱的运动变形较大有关。

4 结论

利用有限元法对新设计的一种双层网底鲆鲽网箱的耐流特性进行了数值模拟，并将模拟结果与单层网底网箱进行对比。分析认为，对于双层网底网箱在水流作用下的动力分析是非常有必要的。研究发现，当流速超过20.9 cm/s(此时对应实际海区流速为93 cm/s)时，双层网底网箱的上、下两层网底最大倾角的绝对值虽然较小，但由于二者的倾斜方向相反，并且下层网底有较大垂向位移而发生接触，从而影响网底结构的稳定。因此，为保证网箱系统及鲆鲽鱼类养殖安全，建议此结构网箱应在流速不超过80 cm/s海区使用。此外，通过比较双层网底与单层网底的位移变化，发现前者下层网底在两个方向的位移大于后者，但最大倾角却小于后者，这可能与双层网底网箱的上层网底的具体设计有关，今后将继续开展相关研究。

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Numerical simulation of the anti-current characteristics of double-bottom cages for flounder fish

CUI Yong，GUAN Changtao，LI Jiao，GONG Pihai

(Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture,QingdaoKeyLaboratoryforMarineFishBreedingandBiotechnology,YellowSeaFisheriesResearchInstitute，ChineseAcademyofFisherySciences,Qingdao266071，China)

The bottom frame of flounder fish cages with double bottom floors would incline and rotate in current. To ensure the cage bottom structure safety, it is necessary to carry out dynamic analysis for the anti-current characteristics of the cages. Herein, based on the finite element method, a numerical model of the double-bottom cage deformation in current force is developed and then the maximum displacement and pitch of the double bottom are studied. In addition, the calculated results of double-bottom cage are compared with those of single-bottom cage. The simulation results show that the pitches of the upper and lower bottom floors increase along with the increase of flow velocity, and the dip directions of the two bottom floors are just opposite. It is found that when the flow velocity exceeds 93 cm/s in sea, the upper and lower bottom floors of the cage would collide with each other and affect the safety of the cage bottom. Moreover, the displacement of the lower bottom of double-bottom cage is larger than the bottom displacement of the single bottom cage, but the pitch of lower bottom is smaller than the bottom pitch of the single bottom cage, which might be related to the design of the upper bottom of the cage.

double-bottom; anti-current characteristics; finite element method; flounder fish cage

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.008

2016-09-21

2016-11-30

现代农业产业技术体系建设专项 (CARS-50-G05)；鳌山科技创新计划(2015ASKJ02-03)；国家自然科学基金(30972256, 51239002)

崔勇(1980—)，男，助理研究员，博士，研究方向：设施渔业。E-mail：cuiyong@ysfri.ac.cn

S953.4

A

1007-9580(2016)06-039-06